西藏日喀則市太陽能資源時空分布特征及資源潛力評估

尼瑪拉宗，卓 嘎

（1西藏日喀則市氣象局，西藏日喀則857000，2西藏自治區氣象局氣候中心，拉薩850000）

0 引言

日喀則市位于青藏高原西南部，平均海拔4000m，所轄18個縣市。隨著人口的增加，經濟的發展，對能源的需求日益增加。然而，高原生態環境十分脆弱，開發利用太陽能等清潔能源，是在保護生態環境的前提下解決能源需求的科學舉措。研究日喀則市太陽能資源的空間分布特征、變化趨勢以及對資源進行詳細評估，是科學合理開發利用太陽能資源的基礎性工作。

國內對太陽能資源的研究大多集中在中原及青藏高原東北青海等太陽輻射站較多的地區，主要研究其資源屬性，從太陽能總輻射、日照時數、可照時數等方面來分析研究各區域太陽能資源的豐富程度[1-3]、可利用價值[4]、日最佳利用時段及資源穩定度等時空分布特征[5-7]。西藏高原因其特殊的地理地貌及天氣氣候特征，太陽總輻射強、日照時數長，是世界太陽能資源最豐富的地區之一[8-11]。

多年來有不少學者從區域角度對日照時數的分布特征及變化進行了研究[12-14]。杜軍等[15]利用復雜地形下太陽輻射分布式模擬模型計算了西藏太陽總輻射量；張志剛等[16]對珠峰地區短期太陽輻射特征進行了研究。但是，目前從區域角度較全面研究日喀則市太陽能資源空間分布特征及資源潛力評估文章較少。因此，本研究選用日喀則市7個氣象站1985—2014年的日照時數、日照百分率、最高溫度和日喀則站的太陽輻射實測資料，以期較全面分析日喀則市太陽總輻射和日照時數的變化趨勢及空間分布特征，對太陽能資源豐富度和穩定度等潛力進行評估，以期為日喀則市科學有效開發利用太陽能資源，提高太陽能的利用率，為農業生產的高產穩產，合理調整農業種植結構提供重大的科學依據[17]。

1 資料與方法

1.1 資料選取

選取1985年1月1日—2014年12月31日的定日、江孜、拉孜、南木林、日喀則、聶拉木和帕里7站日照時數、日照百分率、最高溫度等氣象資料以及2010年1月1日—2014年12月31日日喀則站的日照、最高溫度和輻射資料。所有資料均經過檢查，部分年份缺失的資料采用多年平均相應月（年）值替代。

1.2 太陽輻射推算模型的建立

目前研究認為，日照時數主要受云量的影響，近年大氣污染嚴重，云量和氣溶膠增多，從而增強了大氣對太陽光的反射及吸收作用，使太陽輻射減小，日照時數下降。應用2010年1月1日—2014年12月31日日喀則站的日照、最高溫度和輻射資料與日照時數、最高溫度建立日喀則月總輻射量計算方程（見表1），并將日喀則逐日日照時數、最高溫度代入計算得到的日輻射量與實際觀測值對比，計算得到的日輻射量與實況誤差很小，通過驗證計算，筆者認為計算方法可靠。因此，用該方法計算1985年1月1日—2014年12月31日定日、江孜、拉孜、南木林、聶拉木和帕里的逐日總輻射。表1中S為日照時數，Dm為最高溫度，2月、5月、6月、11月和12月的方程與最高溫度無法建立方程，只與日照時數建立了計算方程。

表1 日喀則市太陽日輻射量計算公式

1.3 評估方法

依據中國氣象局2008年《太陽能資源評估辦法》，太陽能資源豐富度、穩定度以及利用價值是最重要的太陽能資源評估指標。本研究利用日喀則市現有7個人工氣象站觀測的日照時數和推算的太陽總輻射資料對日喀則市太陽能資源的豐富程度、利用價值和穩定程度進行分析。用年均太陽總輻射、日照時數和日照百分率評價太陽能資源的豐富程度；用每天日照時數大于6 h作為太陽能利用價值指標；一年中各月日照時數大于6 h的天數最大值與最小值之比來反映太陽能資源的穩定度，比值越小，說明太陽能資源越穩定，越利于太陽能資源的開發利用。

筆者分別計算出7個站點30年年均總輻射、四季太陽總輻射、四季日照時數，計算各站點近30年各月日照時數＞6 h的天數，用日照時數＞6 h天數最大值比最小值得到太陽能資源穩定度K，見公式(1)，其等級（見表2）。參照太陽能資源豐富度區劃指標（見表3），利用克里格插值法對日喀則市總輻射、日照時數和太陽能資源穩定度進行空間插值，得到了太陽能資源的空間分布特征，對全市太陽能資源分布情況進行了區劃。

表2 太陽能資源穩定度指標

穩定度指標反映太陽能資源全年變幅的大小，比值越小，說明太陽能資源全年變化越穩定，受天氣變化影響越少，越利于太陽能資源的開發利用。

式中：K為太陽能資源穩定程度指標；Day1,Day2,…,Day12分別為1—12月各月日照時數大于6 h的天數。單位：天；max()、min()分別是求最大值和最小值的函數。

1.4 統計分析

利用Excel對各類數據進行處理分析。

線性xi表示樣本量為n的某一氣候變量，用ti表示xi所對應的時間，建立一元線性回歸方程(2)。

式中：b為回歸系數，代表氣候變量xi的趨勢傾向。當b＞0時，說明隨著時間ti的增加，氣候變量xi呈上升的趨勢；當b＜0時，說明隨著時間ti的增加，氣候變量xi呈下降的趨勢；b×10稱為氣候變化傾向率,表征氣候要素上升或下降的速率，單位為某要素單位/10 a。

2 結果與分析

2.1 太陽能資源的時間演變特征

從日喀則市年均太陽總輻射和年均日照時數（1985—2014年）的變化趨勢（見圖1）來看，年均太陽總輻射和年均日照時數變化趨勢基本一致，總體趨于下降趨勢，年均日照時數減少趨勢更明顯。近30年中太陽總輻射和日照時數在1985年—1990s中期前變化幅度較小。1996—2008年之間變化幅度較大，減少趨勢明顯，2009—2014年出現較明顯增加趨勢；近30年中，2012年日照時數最高，達3135.1 h，2008年降到最低，為2872.4 h；太陽總輻射最低值出現在2000年，為7325 MJ/m2；2000年之后，年均太陽總輻射開始增加。

表3 太陽能資源豐富度區劃指標

圖1 日喀則市日照時數和太陽總輻射的年際變化

從1990s中期開始隨著日喀則市社會經濟的發展，城市人口密度增大，汽車等機動車增多，大氣透明度下降，其中云量、大氣濕度和氣溶膠是影響太陽輻射的主要因子[18]。日喀則市太陽總輻射降低可能與環境的改變和人類的活動有一定的關系。

2.2 太陽能資源四季變化特征

根據氣候學劃分，春（3—5月）、夏（6—8月）、秋（9—11月）、冬（12—2月）四季。本研究利用日喀則市各站總輻射推算數據和日照時數數據，分別計算日喀則市各站四季太陽總輻射和日照時數值，用克里克插值法對四季太陽總輻射和日照時數進行空間插值，得到四季太陽能總輻射和日照時數空間分布特點（見圖2）。圖2反映了日喀則市四季太陽總輻射分布狀況。春季太陽總輻射在619～750 MJ/m2之間，日喀則市西部、沿江部分縣區太陽總輻射較高，高值出現在定日(750 MJ/m2)，低值區位于南部邊緣聶拉木(619 MJ/m2)；夏季太陽總輻射在530～729 MJ/m2之間，太陽總輻射相對較高的是日喀則(729 MJ/m2)，低值區位于南部邊緣帕里(530 MJ/m2)；秋季的太陽總輻射在455～562 MJ/m2之間，空間分布上與全年總輻射較為一致，秋季最高值出現在日喀則西部定日(562 MJ/m2)，最低值出現在日喀則市聶拉木(455 MJ/m2)；冬季太陽總輻射在429～527 MJ/m2之間，大部分地方太陽總輻射比較低，太陽總輻射的高值區出現在定日(527 MJ/m2)，最低出現在聶拉木(429 MJ/m2)。日喀則市四季日照時數（圖略）的空間分布與太陽總輻射分布情況基本一致，最高值一般出現在西部定日一帶,春、夏、秋、冬四季最高值分別高達236 h、177 h、248 h和258 h。四季最低值均出現在南部邊緣聶拉木、帕里一帶。

2.3 太陽能資源區劃

圖2 日喀則市四季太陽總輻射分布

根據日喀則市7個氣象站30年逐日總輻射、日照時數和日照百分率的統計分析可知，日喀則市大部太陽輻射資源非常豐富，年均總輻射在6364～7655 MJ/m2（見表4），均在6000 MJ/m2以上，其中最大的是日喀則站(7655 MJ/m2)，最低值出現在聶拉木站(6364 MJ/m2)；各站日照時數變化較大，變化范圍在2514～3399 h之間，大部分站點年均日照時數在3000 h以上。日照百分率在57%～78%之間，高值區在定日站，低值區在聶拉木站，其空間分布特征與日照時數分布基本一致。形成這種地理分布特征的主要原因是南部邊緣受地形及西南暖濕氣流影響，水汽相對充沛，容易形成云系[19]，而越往西北到達的水汽較少。因此，南部邊緣日照時數和日照百分率低于西部及沿江一線。日喀則市日照分布的主要地理特征是西部和沿江一帶高、南部邊緣地區低，太陽輻射的地理分布特征是西部和沿江一帶高，南部邊緣地區低。影響太陽輻射的因子除云量外，還與大氣光學厚度成反相關關系。大氣光學厚度與太陽光線經過的大氣路徑有關系，所以海拔越高，空氣越稀薄，太陽輻射也就越高[20]。

日喀則市地域面積大，所轄18個縣區，但氣象觀測站點少，只有7個人工氣象觀測站，1個太陽輻射觀測（2010年建站），太陽總輻射值是通過推算得到的。表4中的日照時數、日照百分率和太陽總輻射，并不能反映整個日喀則市太陽能資源的空間分布。對于觀測資料區以外的太陽能資源的分布情況，通過空間插值得以確定。對日喀則市各站點的日照時數和太陽總輻射進行空間插值,并結合表2中太陽能區劃標準，得到了日喀則市太陽能資源空間分布（見圖3）。

由圖3可知，日喀則市大部太陽能資源非常豐富，太陽總輻射與日照時數的分布情況基本一致；其中太陽總輻射基本趨勢是由日喀則南部邊緣向西部和沿江一線逐漸增加，到日喀則市沿江一線的日喀則和西部定日縣一帶達到最高，最低值出現在日喀則市南部邊緣聶拉木和帕里一帶；日照時數最高值位于日喀則市西部，日照時間最長的可達3399 h。其次，年均日照時數相對較高的市是日喀則市沿江中東段，其年均日照時數均在3000 h以上。根據太陽能資源豐富度區劃指標（見表3），日喀則市大部屬于太陽能資源豐富區，定日、江孜、日喀則和拉孜的太陽能資源最為豐富，屬于為資源最豐富區(57.1%)；南木林、聶拉木和帕里太陽能資源很豐富，屬于資源很豐富區(42.9%)。

表4 日喀則市7個站點太陽總輻射、日照時數和日照百分率的30年平均值

圖3 日喀則市太陽總輻射和日照時數空間分布

2.4 太陽能資源利用價值評估

按照《太陽能資源評估辦法》標準規定，把各月日照時數大于6 h的天數作為太陽能利用價值的評估指標,如一天中日照時數如大于6 h，太陽能就具有利用價值，否則就不具有利用價值。本研究統計了日喀則市30年（1985—2014年）7個氣象觀測站日照時數大于6 h的天數，通過求平均得到各地年日照時數大于6 h的天數為263～327天，最少的是日喀則市的帕里站，30年平均為263天；最多的是定日站，30年年平均為327天。帕里和聶拉木小于300天；日喀則、江孜、拉孜和南木林站大于300天而小于320天；定日站大于320天。

總的來說，日喀則市西部的定日一帶30年平均每年大于6 h的天數均在320天以上。太陽能資源可利用價值最高；沿江的日喀則和江孜一帶，30年平均每年大于6 h的天數均在310～320天之間，太陽能可利用價值較高；南部邊緣的帕里一帶30年中平均每年大于6 h的天數僅為263天，太陽能資源可利用價值相對較低。總之，日喀則市大部太陽能資源非常豐富，具有特別高的潛在利用價值。

2.5 太陽能資源穩定程度評估

在太陽能資源評估中資源穩定度是最重要的評估指之一，按照1.3節中的穩定度公式，求出了日喀則市7個氣象站1985—2014年的太陽能穩定度平均值K。用克里格插值法對各站點的K值進行空間插值（見圖4）得出，日喀則市除南部邊緣和沿江南木林太陽能資源較穩定，K值在2～4之間之外，其余大部K值小于2，屬于太陽能資源穩定區。

圖4 太陽能資源穩定度的空間分布

總之，從日喀則市太陽能資源豐富度與穩定程度的分布情況分析，日喀則市南部邊緣太陽總輻射最小、日照時間最短且資源相對不穩定，而西部和沿江一線太陽能總輻射最高、日照時間最長，太陽能資源亦較為穩定，屬于可開發利用區域。除南木林K值較大之外，其余大部資源穩定度和資源豐富度分布基本相同。

3 結論與討論

本研究利用日喀則市7個氣象站近30年來日照時數和推算的太陽總輻射數據，較全面分析了西藏日喀則市太陽能資源時空分布特征和資源潛力，得出了如下結論：

（1）日喀則市太陽能資源豐富度來開看，西部的定日縣和沿江一線的江孜縣、日喀則及拉孜縣屬于太陽能資源最為豐富區，沿江的南木林縣、南部邊緣地區聶拉木和帕里，日照時數相對較低，屬于太陽能資源很豐富區；近30年來日喀則市日照時數和年總輻射均呈下降趨勢，其變化趨勢基本相同,但日照時數減少趨勢比較明顯；從太陽能利用價值來看，7個氣象站近30年中各年日照時數大于6 h的天數在263～327天之間，小于300天有2個站點，分別是帕里和聶拉木；大于300天而小于320天站點有4個，分別是日喀則、江孜、拉孜站和南木林站；大于320天以上的站點有1個，為定日站；日喀則市太陽能資源穩定度在1～4之間，除南部邊緣和沿江的南木林站K值在2～4之間，屬于太陽能資源較穩定區外，其余大部K值小于2，屬于太陽能資源穩定區。

（2）本研究利用逐日日照時數、日最高氣溫與日輻射量建立方程推算日太陽輻射量。計算的結果與實際觀測值誤差很小，經檢驗，結果比較可靠，這對計算無太陽輻射觀測站的輻射數據，是一種新的嘗試，具有一定的現實意義。

（3）從太陽能資源豐富程度、利用價值、穩定度幾個指標來分析，日喀則市除南部外，大部地方太陽能資源非常豐富且穩定，利用價值高，適合大規模光電開發，發展光伏農業產業潛力巨大。

（4）日喀則市面積大，但有10年以上氣象觀測數據的氣象站點少，有待今后利用更多的自動氣象站數據，推算太陽輻射，提高太陽輻射空間插值精度。以便更加細致、準確的分析太陽能資源分布特征，為充分利用太陽能資源，發展農牧業生產提供科學依據。

[1]許建明,何金海,閻風霞.1961—2007年西北地區地面太陽輻射長期變化特征研究[J].氣候與環境研究,2010,15(1):89-96.

[2]陳志華.2000年中國地面太陽輻射狀況的研究[D].北京:中國科學院研究生院大氣物理研究所,2005:4-5.

[3]周秉榮,李鳳霞,顏亮東,等.青海省太陽總輻射估算模型研究[J].中國農業氣象,2011,32(4):495-499.

[4]郭軍,任國玉.天津地區近40年日照時數變化特征及其影響因素[J].氣象科技,2006,34(4):415-420.

[5]賀芳芳,顧旭東,徐家良.20世紀90年代以來上海地區光能資源變化研究[J].自然資源學報,2006,21(4):559-566.

[6]劉義花,汪青春,王振宇,等.1971年—2007年青海省日照時數的時空分布特征[J].資源科學,2011,33(5):1010-1016.

[7]呂寧,劉榮高,劉紀遠.1998—2002年中國地表太陽輻射的時空變化分析[J].地理信息科學學報,2009,11(5):623-630.

[8]宋善允,等.西藏氣候[M].北京:氣象出版社,2013:344-349.

[9]杜軍,周明君,羅布次仁,等.近50年拉薩日照時數的變化特征[J].氣象科技,2007,35(6):818-821.

[10]陳有虞.青藏高原那曲地區的輻射狀況及其年變化特征[J].高原氣象,1985,4(4):50-66.

[11]戴加洗,李鵬杰,蘇宏德.唐古拉山地區輻射狀況和冷熱源的探討[A].青藏高原氣象論文集[C].北京:科學出版社,1977.

[12]杜軍,邊多,胡軍.西藏近35年日照時數的變化特征及其影響因素[J].地理學報,2007,62(5):492-500.

[13]唐小萍,李亞兵.拉薩40a日照變化特征分析[J].西藏科技,2003,3(119):56-58.

[14]周長艷,楊秀海,旦增頓珠,等.“日光城”拉薩日照時數的變化特征[J].資源科學,2008,30(7):1100-1104.

[15]杜軍,楊志剛,劉建棟.西藏自治區太陽能資源區劃[M].北京:氣象出版社,2011:8-12.

[16]張志剛,秦翔,何立富,等.2007年春末夏初珠穆朗瑪峰地區輻射特征分析[J].高原氣象,2009,28(3):516-522.

[17]胡毅,李萍,楊建功,等.應用氣象學[M].北京:氣象出版社,2005:6.

[18]白建輝,王庚辰.影響太陽總輻射各主要因子的分析[J].高原氣象,1994,13(4):487-488.

[19]楊秀海,卓嘎,羅布,等.珠峰地區天氣氣候特征分析[J].冰川凍土,2012,34(2):336-245.

[20]周秉榮,顏亮東,校瑞香.三江源地區太陽輻射與日照空間分布特征[J].資源科學,2012,30(11):2074-2079.